锚塞体大体积混凝土温控影响因素分析

马霈源 庞 彬 顾听听

(宁波交通建设工程试验检测中心有限公司 宁波 315121)

由于混凝土导热性差，大量水化热聚积在混凝土内部无法散发，使结构的里、表形成较大温差，进而产生一定的温度应力使混凝土结构表面处在受拉状态，该状态下结构易产生裂缝，破坏整体稳定性[1-3]。因此对大体积混凝土温度场的影响因素进行研究是十分必要的。目前国内外学者对大体积混凝土已经进行了深入研究，孙维刚等[4]以某悬索桥散索鞍基础浇筑过程的温控实测数据为基础，提出混凝土水化温升的简化计算模型。蔡文俊等[5]对桥梁承台的大体积混凝土浇筑进行数值计算，得到高温直晒下承台混凝土的最大温升和冷却水管对流交换系数等关键参数。鲁正刚等[6]同样对大体积混凝土承台进行数值模型分析并将其与实测数据对比，得到大体积混凝土承台浇筑后的内部温度场分布变化规律。上述研究成果均对大体积混凝土浇筑后的温度场进行多维度的说明，但对大体积混凝土温度场的影响因素缺乏系统性的分析。

本文依托伍家岗长江大桥隧道锚工程，对锚塞体大体积混凝土不同入模温度、混凝土配合比、冷管参数变化等工况下锚塞体温度场分布规律以及里、表温差进行探究，以期从混凝土材料选择、入模温度控制和施工技术等方面对锚塞体现场温控提供参考。

1 工程概况

伍家岗长江大桥位于湖北省宜昌市，主跨为1 160 m的正交异性钢箱梁悬索桥，南侧采用重力式锚碇，北侧采用隧道锚式锚碇。大桥北侧隧道式锚碇结构由2个洞室组成，左、右洞锚塞体的总浇筑量达16 494 m3，单个隧道锚内的锚塞体长45 m，为前小后大的楔形，前锚面尺寸为9.04 m×11.44 m，后锚面尺寸为16 m×20 m，总浇筑量为8 247 m3。单个锚塞体分层浇筑示意见图1。

图1 隧道锚锚塞体分层浇筑示意图

对大体积混凝土而言，单层混凝土浇筑厚度将会直接影响到混凝土内的热量累积情况，单层混凝土浇筑量较小则其散热较快，热量累积较小，能有效控制温度应力，但将直接加大施工难度，影响工期，参考相关文献[7-9]可知：单层浇筑厚度小于2 m时，随着厚度的增加，温度峰值和最大里表温差将直线上升，而厚度在4 m以上时，随厚度增加混凝土内温峰值及最大里表温差升高速率明显下降，因此综合考虑厚度及单次浇筑方量，伍家岗长江大桥隧道锚将选择以3 m为基准进行单层混凝土浇筑。

如图1所示，单个锚塞体水平分成12层，除第 1 层高为6 m及第12层高为 4.554 m 外，其他层高均为3 m。分层后，最大浇筑方量为第4层，约为1 025 m3。除第1层与第12层外，各层形状相似，厚度相同，且所处环境较为一致，因此本文以最大浇筑方量的第4层混凝土为基础展开研究。

2 数值模型建立

以伍家岗长江大桥北岸隧道锚实际工程为基础，假设混凝土单元在所有时间各节点的放热速率相等，且同一层的混凝土的初始温度一致。因此，在midas Civil中建立锚塞体模型，见图2。

图2 伍家岗长江大桥隧道锚锚塞体数值模型示意图

锚塞体混凝土为C35，比热容取值为0.966 kJ/(kg·℃)，导热系数为2.556 W/(m·℃),实际情况取施工现场的环境温度为20 ℃，对于边界条件由于锚塞体浇筑环境的特殊性，单层浇筑时处于半封闭条件下，顶面混凝土与空气交换热量属于第三类边界条件，而底面与上一层浇筑的混凝土接触，四周与岩土接触，属于第四类边界条件。因此取混凝土表面的对流系数为18.4 kJ/(m2·h·℃)。

将第4层锚塞体温度场数值模型计算结果与实测值对比见图3。

图3 锚塞体第四层实测温度与计算温度曲线对比

由图3可见，计算温度曲线和实测温度曲线的线形大致符合，有限元计算值中心最高温度为51.5 ℃，监测的中心最高温度为53.4 ℃，中心最高温度的计算值与实测值的相对误差为3.6%，表面最高温度的相对误差为5.3%，相对误差较小在允许范围内，基于以上分析计算结果，可认为所建立数值模型准确，下文将以该模型为基础展开多维度分析。

3 冷却管参数影响

根据锚塞体大体积混凝土温控方案，第2层至第11层单层浇筑厚度3 m，共计厚度30 m，单层布设2层冷却水管，每层设置2个进水口、2个出水口，下层冷却水管距浇筑底面0.75 m，顶层冷却水管距离浇筑顶面0.75 m。第4层混凝土水管布置示意图见图4。

图4 锚塞体第4层水管布置示意图

3.1 冷却水流量的影响

为研究锚塞体内埋设的冷管中的水流量对锚塞体温度场的影响，在保持其他条件不变的情况下，分别调整冷却水流量为1.6、1.8、2.0、2.2和2.4 m3/h，经有限元计算得到结果见图5。

图5 冷却水不同流量温度曲线变化

冷却水流量的变化对边缘处的混凝土影响较小，不同流量的变化对表面和底面的最高温度几乎没有影响。相比于边缘温度，混凝土中心温度受流量变化的影响较大，随着冷却水流量增大，中心最高温度和里、表最大温差均有降低。对于具体数值而言，冷却水的流量增加0.2 m3/h，中心最高温度便降低0.7～0.2 ℃，最大温差也降低0.7～0.2 ℃。当冷却水流量大于2 m3/h后，冷却水流量对中心最高温度和最大温差的削弱作用逐渐减小。

3.2 冷却水入水温度的影响

在保持其他条件不变的情况下，分别调整冷却水入水温度为12、14、16、18、20 ℃。经过有限元计算，综合对比分析结果见表1。

表1 冷却水不同入水温度计算结果比较

由表1可知，冷却水入水温度的变化对中心混凝土影响较大，对边缘混凝土影响小，入水温度每降低2 ℃，中心最高温度降低0.7 ℃，而混凝土表面温度与底面温度变化较小。且随着冷却水入水温度的降低，温峰值和最大里、表温差均明显变减小，中心温度的温峰出现时间也提前了。说明降低冷却水的入水温度能有效地控制混凝土中心温度及里、表温差。但如果冷却水的温度太低，会使得混凝土中冷却管周围区域出现较大的温度差，从而在冷却管周围的混凝土中产生较大的温度应力。这种情况可能会使结构产生破坏，因此需要工程实际情况适当降低冷却水入水温度。

3.3 冷却水管通水时长的影响

为了研究不同的通水时长对锚塞体温度场的影响。对比分析在第5、6、7、8、10天时停止通水后锚塞体的温度变化。在其他条件不变的情况下，通过数值计算，得到结果见图6。

图6 不同通水时长温度变化曲线

由图6可知，在第5天停止通水后，锚塞体的里、表温差迅速增大，在第8天温峰值二次达到最高值13.5 ℃，超过之前的最大值12.8 ℃。当在第6、7 d停止通水时，虽然二次温差极值未超过第一次温差极值，但在停水之后，里、表温差一样会迅速增加，这对混凝土表面是极为不利的。当冷却管在第8天停止通水时，里、表温差已基本上不再上升。通过上述分析可知，在实际工程中若冷却管的通水时长过短会引起里、表温差再一次上升，甚至会超过之前温差极值，导致里、表温差长时间处于较高状态。混凝土在长时间较大的温度应力作用下极有可能产生裂缝。故在施工过程中要时刻注意水泵的运行情况，准备好应急电源与应急水泵，防止因停电或设备故障等意外出现冷却管停止通水。

4 混凝土配合比及入模温度影响

4.1 混凝土配合比影响

混凝土升温主要来源于水泥水化过程中产生的热量，研究混凝土的配合比对控制水化热有着重要作用。在其他条件保持不变的情况下，通过改变每立方米混凝土的配合比，保持胶凝材料380 kg总量不变情况下，调整水泥和粉煤灰的比例，分别调整水泥用量为245、285、325、365 kg进行数值模拟对比分析，其中水泥245 kg、粉煤灰135 kg为实际工程中混凝土配合比。通过有限元计算得混凝土不同配合比对锚塞体温度场的影响见表2。

表2 混凝土不同配合比计算结果分析

由表2可知，当每立方米混凝土中水泥用量从245 kg增加到285 kg，即胶凝材料中水泥占比从64%提升到75%，中心最高温度提升了2.5 ℃，里、表最大温差提升了1.0 ℃。当每立方米混凝土中水泥用量从325 kg增加到365 kg，即胶凝材料中水泥占比从86%提升到96%，中心最高温度提升了2.4 ℃，里、表最大温差提升了1.1 ℃。同时可知，中心最高温度与里、表最大温差值及水泥用量呈线性关系，胶凝材料中的水泥占比每增加10%，中心最高温度就提升2.4 ℃，里、表最大温差就提升1 ℃。因此实际工程中在满足混凝土强度的前提下应尽可能地使用粉煤灰或者矿渣粉等水化热量少的胶凝材料替代水泥，以此减少水泥的用量达到控制温度的效果。

4.2 混凝土入模温度影响

同样在其他条件不变的情况下，改变锚塞体浇筑时的混凝土入模温度，分别取12、16、20、24、28 ℃进行数值模拟对比分析，其中20 ℃为实际工程中混凝土入模温度。经有限元计算，得到结果见图7。

图7 混凝土不同入模温度对比变化曲线

由图7可知，当入模温度升高时，混凝土各处的温度均上升明显。中心温度上升幅度最高，入模温度每升高4 ℃中心最高温度便上升2.3～2.5 ℃。由于表面的空气对流，升高混凝土的入模温度对表面温度影响相对于中心温度较小，入模温度每升高4 ℃表面最高温度就上升1.3～1.5 ℃。由于入模温度的变化对混凝土中心和表面温度影响程度不一样，使得里表温差随着入模温度的提高而变大。从时间方面，入模温度每升高4 ℃温峰出现时间就会提前2 h。因混凝土在初凝阶段抗拉强度较小，温峰时间提前会使混凝土的抗拉强度不能充分发挥。因此，入模温度的上升对温峰值、里表温差和温峰出现时刻有很大的影响，温峰值的提升及温峰时间的提前都对混凝土极为不利。

通过有限元计算不同入模温度发现，入模温度的上升对温峰值、里表温差和温峰出现时刻有很大的影响。温峰值的提升及温峰时刻的提前都是对混凝土极为不利的，在实际工程中控制混凝土的入模温度是温控的重要手段。

5 结论

本文以伍家岗长江大桥北岸隧道锚为工程背景，通过控制变量法分别分析混凝土配合比、混凝土入模温度、冷却管参数(冷却水流量、冷却水入水温度和冷却管通水时长)和环境温度等参数的变化对锚塞体温度分布规律、中心最高温度、里表最大温差的影响。不同工况分析得到的主要结论有：

1) 在工程混凝土配合比(水泥245 kg，粉煤灰135 kg)的基础上，胶凝材料中的水泥占比每增加10%(40 kg)，中心最高温度提升2.4 ℃，里、表最大温差提高1 ℃左右，说明水泥用量对锚塞体温度场影响极大，为了控制温峰值，在保证工程质量的前提下应尽量多使用水泥替代品，如粉煤灰和矿渣粉。

2) 混凝土入模温度每升高4 ℃，中心最高温度就上升2.3～2.5 ℃，里、表最大温差提高1 ℃，温峰出现时间提前2 h。因早期混凝土强度低，温峰出现时间的提前会使混凝土的抗拉强度得不到充分发挥，故在夏季施工时要注意控制入模温度。

3) 冷却管流量在到达一定数值之后再增大冷却管流量，温控效果已不明显且增加了施工成本；冷却水入水温度的降低虽然能有效地降低温峰值和里表最大温差，但水温过低容易使水管附近混凝土产生较大拉应力。因此，具体的冷却管流量和入水温度均要综合多方面情况考虑。

4) 在秋冬季施工时环境温度变化较大，容易出现突然降温的情况。因此，在锚塞体浇筑后要注意表面的保温、保湿，防止温度骤降引起里、表温差的二次回升。